繼電保護(hù)用電流互感器伏安特性和10%誤差曲線的分析及應(yīng)用

徐海峰

(徐州大屯工貿(mào)實(shí)業(yè)公司,江蘇徐州 221000)

繼電保護(hù)用電流互感器伏安特性和10%誤差曲線的分析及應(yīng)用

徐海峰

(徐州大屯工貿(mào)實(shí)業(yè)公司,江蘇徐州 221000)

電流互感器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備,對(duì)于繼電保護(hù)人員來說,掌握其誤差特性、伏安特性的原理和意義、10%誤差曲線,是十分必要的。作為電氣二次維護(hù)人員,合理的運(yùn)用以上知識(shí),可以避免繼電保護(hù)裝置在被保護(hù)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)拒動(dòng),保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定安全的運(yùn)行,提交繼電保護(hù)裝置動(dòng)作的正確率具有重要意義。本文著重介紹互感器誤差產(chǎn)生的原因、伏安特性的原理意義以及做法、10%誤差曲線的作用及繪制。

電流互感器 飽和 伏安特性 10%誤差曲線

1 電流互感器的工作原理

電力系統(tǒng)中廣泛采用的是電磁式電流互感器(以下簡(jiǎn)稱電流互感器),它的工作原理和變壓器相似。其原理接線,如圖1所示。

1.1 電流互感器的特點(diǎn)

(1)一次線圈串聯(lián)在電路中,并且匝數(shù)很少,因此,一次線圈中的電流完全取決于被測(cè)電路的負(fù)荷電流．而與二次電流無關(guān)。(2)電流互感器二次線圈所接儀表和繼電器的電流線圈阻抗都很小,所以正常情況下,電流互感器在近于短路狀態(tài)下運(yùn)行。

1.2 電流互感器

電流互感器一、二次額定電流之比,稱為電流互感器的額定互感比

CT的額定變比K=I1/I2=N2/N1,為一次繞組與二次繞組的匝數(shù)比。對(duì)于理想CT： I1*N1=I2*N2,即：I1/I2=N2/N1

當(dāng)一次側(cè)電流為I1時(shí),二次側(cè)感生出電流值為：I2=(I1*N1)/N2,但在理論計(jì)算中常將二次側(cè)電流I2進(jìn)行折算,將I2折算到一次側(cè)為I2’即：I2’=I2*K=(I2*N2)/N1=I1,這樣當(dāng)一次側(cè)電流I1為1時(shí),二次側(cè)電流I2’也是1,這樣就可以將CT的等值電路簡(jiǎn)化為圖2所示的T型網(wǎng)絡(luò)等效電路用于計(jì)算。下面為了描述方便折算電流I2’用符號(hào)I2來表示。由等值電路可知,其負(fù)載包括三個(gè)部分：

(1)Z1為一次繞組的阻抗。(2)Zj為建立鐵芯磁通的激磁阻抗。

(3)二次繞組的阻抗以及所帶負(fù)載的阻抗。

同時(shí),從圖2中我們可以直觀的看到一次回路所流過的電流I1在電流互感器中被分解為兩部分,其中一部分用來建立鐵芯中的磁通,即激磁電流Ij,另外一部分便是在電流互感器二次側(cè)感生出的二次電流I2,據(jù)此,我們看下一步要分析一下電流互感器的磁飽和特性。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

2 電流互感器的磁飽和特性

帶鐵芯的電流互感器的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示,是一次側(cè)繞組與二次側(cè)繞組通過一個(gè)共同的鐵芯進(jìn)行互感耦合。正常工作時(shí)鐵芯的磁通密度B很低,激磁電流Ij很小,故I2=I1-Ij≈I1,I2與I1的誤差極小。

當(dāng)發(fā)生短路時(shí)一次側(cè)短路電流將變得很大,使磁通密度B大大增加,Ij也相應(yīng)增加。在磁通密度B不是很大時(shí),Ij基本與B成線性關(guān)系,但是鐵芯中的B增加到一定程度后將出現(xiàn)鐵芯磁通飽和現(xiàn)象。這時(shí)增加Ij并不能使磁通密度B成線性增加,而是增加Ij時(shí)B增加的越來越少。磁通密度B與電流Ij的關(guān)系曲線如圖3所示,當(dāng)B增加到一定程度后將出現(xiàn)飽和,這時(shí)Ij急劇增加,于是I2=I1-Ij和I1就會(huì)出現(xiàn)較大和誤差。這就是鐵芯飽和導(dǎo)致互感器出現(xiàn)較大的傳導(dǎo)誤差的原因。

較大的激磁電流Ij還會(huì)產(chǎn)生很大的激磁功率Ij*U1,這個(gè)功率不僅不能傳輸?shù)蕉蝹?cè),而且會(huì)使CT產(chǎn)生很高的熱量,甚至還可以燒毀電流互感器。

3 CT伏安特性曲線

CT伏安特性曲線其實(shí)質(zhì)描述的就是圖3所示的B-Ij的關(guān)系曲線。在進(jìn)行CT伏安特性曲線測(cè)試時(shí),應(yīng)特別注意電壓應(yīng)由零逐漸上升,不可中途降低電壓再升高,以免因磁滯回線關(guān)系使伏安特性曲線不平滑。試驗(yàn)接線如圖4所示.將CT的一次側(cè)開路,對(duì)于二次側(cè)是多繞組的CT,在做伏安特性試驗(yàn)時(shí)也應(yīng)將其它二次繞組開路。從二次繞組加入交流電壓U2,測(cè)量電流I2,U2與I2的關(guān)系曲線即為伏安特性曲線,如圖5所示。

由于已經(jīng)將一次側(cè)開路,所以圖2中的I1、Z1、ZL不再存在,此時(shí)的等值電路如圖6所示,所加電壓U2產(chǎn)生的電流I2就等于激磁電流Ij,即：I2=Ij

進(jìn)而：U2=I2(Zj+Z2)=Ij(Zj+Z2)由于Z2是線圈內(nèi)阻抗,其數(shù)值遠(yuǎn)小于激磁阻抗Zj,故：

U2=I2(Zj+Z2)=Ij(Zj+Z2)≈Ij*Zj=Uj

由此可見,此時(shí)U2與I2的關(guān)系曲線就是Uj與Ij的關(guān)系曲線。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,線圈的感應(yīng)電壓Uj與磁通的變化率成正比,在固定頻率的交流磁場(chǎng)中,Uj與B成正比,故Uj與Ij的關(guān)系曲線即描述的是B與Ij的關(guān)系曲線,也就是說根據(jù)此測(cè)試方法測(cè)得的伏安特性曲線描述的就是B和Ij的關(guān)系曲線。

從實(shí)試驗(yàn)測(cè)出的伏安特性曲線如圖5所示,它和圖2形狀相同,數(shù)值成正比例。這就是雖然我們做伏安特性的目的是要檢驗(yàn)B和Ij的關(guān)系,卻要在試驗(yàn)時(shí)采用用從電流互感器二次繞組加電壓并測(cè)得對(duì)應(yīng)電流的原因所在。

4 CT的傳導(dǎo)誤差

理想狀態(tài)下的CT就是內(nèi)阻無窮大的電流源,不因?yàn)橥饨缲?fù)荷大小而改變電流大小,而實(shí)際中的CT只能在一定的負(fù)載范圍內(nèi)保持傳變電流的準(zhǔn)確性,這是為什么呢？由圖2可知：

公式右邊一項(xiàng)E=Ij=I2(Z2+ZL)/Zj,為CT產(chǎn)生的傳導(dǎo)誤差,即一次側(cè)I1傳導(dǎo)到二次側(cè)的電流I2≠I1,其誤差為Ij.在理想CT中,Zj=∞,Ij=0,故I1=I2,無傳導(dǎo)誤差。在實(shí)際CT中,I1不大時(shí),CT未飽和,Zj很大,誤差也很小。但當(dāng)I1變大時(shí)磁通密度B趨于飽和,這時(shí)Zj急劇減小,對(duì)應(yīng)的Ij急劇增大,即誤差E急劇增大。這就是I1越大,傳導(dǎo)誤差越大的原因。在CT所帶的實(shí)際電路中,回路負(fù)載ZL≠0,若ZL越大時(shí),E=I2(Z2+ZL)/Zj也越大。即CT所帶回路越多,誤差也會(huì)越大。

綜上所述,當(dāng)一次電流I1增大時(shí),誤差會(huì)變大,同樣回路負(fù)載ZL越大時(shí),誤差也會(huì)越大。

同時(shí)我們可以想到,若I1增大時(shí),可以通過減小ZL,或者,若ZL增大時(shí),可以通過減小I1,都可以適當(dāng)減小一些誤差。所以,要將誤差控制在一定的范圍內(nèi),當(dāng)I1增大時(shí)可以通過減小ZL來實(shí)現(xiàn),反之當(dāng)ZL增大時(shí)可以通過減小I1來實(shí)現(xiàn)。上述規(guī)律在實(shí)際工作中加以應(yīng)用便引入了電流互感器10%和5%誤差曲線這一概念。

5 CT的10%誤差曲線

10%誤差曲線,是當(dāng)傳導(dǎo)誤差E=10%時(shí),CT一次電流倍數(shù)m10與CT二次側(cè)所帶負(fù)載ZL的關(guān)系曲線,如圖7所示,即CT一次電流倍數(shù)為m10、二次負(fù)載為ZL時(shí),誤差E=10%。

曲線縱坐標(biāo)為m10,m10=I1/I1e,即一次側(cè)額定電流倍數(shù)。曲線橫坐標(biāo)為ZL,為二次側(cè)所帶負(fù)載。曲線上某點(diǎn)A(Ax,Ay)的意義是,當(dāng)阻抗ZL=Ax時(shí),最大允許一次電流I1=Ay*I1e,此時(shí)誤差E≤10%。如果,I1大于此值,或ZL大于Ax,誤差均大于10%。5%誤差曲線的意義與10%誤差曲線類似,只是允許誤差為5%。

通常電流互感器的10%誤差曲線是由制造廠實(shí)驗(yàn)作出,并且在產(chǎn)品說明書中給出。若在產(chǎn)品說明書中未提供,或經(jīng)多年運(yùn)行,需重新核對(duì)電流互感器的特性時(shí),就要通過試驗(yàn)的方法繪制電流互感器的10%誤差曲線。

6 10%誤差曲線的繪制方法

測(cè)定電流互感器10%誤差曲線最直接方法是一次測(cè)定電流法,此項(xiàng)方法由于所需電源及設(shè)備容量較大,很難用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)。另一種方法是二次側(cè)通電流法,此項(xiàng)方法由電流互感器二次側(cè)通入電流,所需電源及設(shè)備容量較小,其結(jié)果與一次電流法所得相同,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量很易實(shí)現(xiàn)。下面就介紹用二次側(cè)通電流法,繪制電流互感器10%誤差曲線的方法。以變比為100/5,準(zhǔn)確等級(jí)為10P的電流互感器為例。首先將將電流互感器一次側(cè)開路,在二次側(cè)采用電流電壓法做伏安特性。如圖8所示。

6.1 制作電流互感器的電勢(shì)E和勵(lì)磁電流Ie的關(guān)系曲線

由圖8等值電路可知：

E=U2-Ie(Z2)=U2-Ie(R2+jX2),R2的直流電阻,可以用電橋測(cè)得,Z2可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求取,用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：對(duì)于油浸式LCCWD型,一般取Z2=(1.3～1.4)R2;對(duì)于套管式LRD型電流互感器,一般取Z2=2R2。

根據(jù)U2=f(Ie),可逐點(diǎn)計(jì)算,利用E=U2-Ie(Z2)得出E=f(Ie)曲線。

6.2 計(jì)算勵(lì)磁阻抗Ze

由于Ze=E/f(Ie),可得Ze=f(Ie)曲線。

6.3 計(jì)算一次電流倍數(shù)m10=I1/I

當(dāng)電流的比誤差為10%時(shí),勵(lì)磁電流Ie應(yīng)為一次電流I1的10%,則二次電流I2為一次電流I1的90%。

所以,m10=I1/I=10Ie/I=10Ie/5=2Ie根據(jù)Ze=f(Ie),可得Ze=f(m10)曲線。

6.4 計(jì)算允許的二次負(fù)荷阻抗Zen

由于Ze與Z2+Zen并聯(lián),故Ze/(Z2+Zen)=I2/Ie=9Ie/Ie=9

即Ze=9(Z2+Zen),其中Z2已知,由Ze=f(m10)曲線,可得m10=f(Zen)曲線,即10%誤差曲線。

7 誤差曲線的作用

得到10%誤差曲線后,可以求出在m10最大時(shí)(最大短路電流時(shí))允許的二次負(fù)荷阻抗Zen,從而確定現(xiàn)有的二次負(fù)荷阻抗是否滿足10%誤差曲線的要求。將實(shí)測(cè)阻抗值按最嚴(yán)重的短路類型換算成Z;然后根據(jù)計(jì)算出的電流倍數(shù)m10,找出與m10倍數(shù)相對(duì)應(yīng)的允許阻抗值Zfh,如果Z≤Zfh時(shí)為合格。

上述分析方法由于太過復(fù)雜,而且受各種實(shí)際條件制約,往往能成功進(jìn)行分析的不多,而通常的做法是采用對(duì)比法,對(duì)比法有多種：

(1)對(duì)比多條相似回線的CT的伏安特性曲線是否基本相同,可以判斷是否某些CT特性能不能滿足要求。(2)對(duì)比一條線路的三相CT的曲線是否基本相同,或變壓器高低壓側(cè)CT曲線是否基本相似,可以判斷是否某些CT不能滿足要求。(3)保護(hù)CT一般伏安特性曲線的電壓比較高,測(cè)量CT一般不做伏安特性曲線,要做的話其曲線電壓很低就飽和。檢查CT的伏安特性曲線電壓值一般可以判斷是否把保護(hù)CT與測(cè)量CT弄混,或是否把CT的保護(hù)繞組和測(cè)量繞組弄混。

8 電流互感器不滿足10%誤差要求時(shí)的處理方法

當(dāng)電流互感器不滿足10%誤差要求時(shí),可以采?。?/p>

(1)改用伏安特性較高的電流互感器二次繞阻,提高代負(fù)荷的能力;(2)提高電流互感器的變比,或采用二次額定電流小的電流互感器;以減小電流倍數(shù)m10;(3)串聯(lián)備用相同級(jí)別電流互感器二次繞組,使其帶負(fù)荷的能力增大一倍;(4)增大二次電纜截面,或采用消耗功率小的繼電器;以減小二次側(cè)負(fù)荷;(5)改變二次負(fù)荷元件的接線方式,將部分負(fù)荷移至互感器備用繞組,以減小計(jì)算負(fù)荷。

[1]國(guó)家電力調(diào)度通信中心《電氣系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)用技術(shù)問答》.中國(guó)電力出版社,2000年2月第二版.

[2]賀家李.《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理》.中國(guó)電力出版社,2010-8-1.

徐海峰(1979.12.25-),男,2003年7月1日畢業(yè)于華北水利水電學(xué)院,電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè),2003年7月-2012年4月供職于江蘇沛縣大屯發(fā)電廠,繼電保護(hù)班技術(shù)員一職,2009年9月具備工程師任職資格,2012年4月至今供職于徐州大屯工貿(mào)實(shí)業(yè)公司,研發(fā)中心,研發(fā)專員一職。